并行连杆传动的纸浆餐盘成型上下料机械手的研究

王威 金丽丽 许方富 朱伟 颜建国 赵瑜

摘要：本文基于機械手的应用背景及硬件参数为基本参照点，对纸浆餐盘成型机械手的总体结构进行分析和设计，分别从手部结构、手腕结构、气压动力系统等方面介绍了机械设计的基本思路，结合着PLC技术实现了机械手的运动控制，有效的满足了制造工艺的基本要求。

关键词：机械手;结构设计;控制系统

引言

目前，纸浆餐盘成型的上下料基本采用人工在烘干机和捞浆机之间来回操作，上下料效率极其低下，对此本文研制了一种一次性纸浆餐盘成型上下料机械手，将人工动作变为机械自动化操作。其系统结构涵盖机械结构以及控制电路结构两大部分。不仅大大的减轻了工人的劳动强度，同时还有效的提升了生产效率。

1 机械手结构设计原则

机械手的结构形式直接决定着其基本功能，不同机械结构所实现的运动范围以及方式是不同的，根据实际的使用需求，本文以圆柱座标式气动搬运机械手为例进行结构设计。实现纸盘餐具的抓取、搬运等基本功能，使其在实际的工作进程中能够始终保持着稳固的直立姿态。

2 机械手主要机械部件设计

2.1 手部结构设计

手部结构实现了物体的直接抓取，主要有气流负压式和夹持式两种主要形式[1]，在传动结构的互相配合下对手部运动进行综合控制，进而达到抓取物体的主要目的。为了实现手指的灵活动作，采用齿轮和齿条互相配合的传动方式实现对称运动，进而控制手指的张开和夹紧。

2.2手腕结构的设计

手腕是机械手部和手臂之间传动的基本机械部件，设计主要是针对手部动作进行综合调整，实现灵活的动作控制。在物体的搬运作业当中，物体摆放的位置是固定的，本文的设计结构通过调整手部结构能够恰当的对物体进行夹持。

2.3气压系统的设计

气压系统是整个机械装置的动力所在，通过气缸的作用在各个机械部件上进而驱动各个部件的动作[2]。这个过程中机械手不仅能够实现大范围的回转和伸缩，同时还要具备一定的精细作业的能力，对此本文采用了双气缸的设计方法，以实现精准的控制。双气缸的设计方法避免了气压系统的频繁启停和调整。

3 搬运机械手的运动控制

3.1 控制要求

机械手对物体的搬运不仅按照要求完成指定位置的移动，同时还要具备物体位置的自动检测和追踪，实现了精准的计数功能，实时的展示搬运数量等参数，具有较高的控制精度和灵敏度。

3.2 硬件设计

控制系统采用主流的PLC控制技术，为了充分的做好接口的资源利用，系统采用7个I/O口作为输入，其中涵盖5个控制信号以及限制信号和执行信号灯信息参数。

3.3 控制逻辑

机械手的所有运动结构都是通过电磁阀来作为基本的执行结构来进行的，实现了上升、下降、左移、右移等基本操作，在多个控制指令的协同操作下，实现机械手的灵活多样控制，以固定的动作组合进行重复执行，实现完整的控制流程，进而对机械手进行任意动作的调整。

4 上下料机械手的流程及参数设置

本项目研制的上下料机械手主要针对为餐盘，也可以适用于其他纸浆制品，比如碟子、饭盒等等。

4.1 上下料机械手工作流程设计

一次性纸浆餐盘成型上下料机械手用于在捞浆机和烘干机之间来回上下料铁丝网及附着的纸浆餐盘。

烘干机内设有第一铁丝网，捞浆机内设有第二铁丝网，一次性纸浆餐盘成型上下料机械手内设有第三铁丝网。在捞浆机位置时，机械手的下层滤网抓取模块用于将有纸浆的第二铁丝网从捞浆机内取出，机械手上层滤网抓取模块用于将空的第三铁丝网放入捞浆机内捞浆。在烘干机位置时，机械手上层滤网抓取模块用于从烘干机内取出已烘干的第一铁丝网，机械手下层滤网抓取模块用于将第二铁丝网放入该烘干机内。在完成机械手上层滤网抓取模块将烘干机内取出已烘干的第一铁丝网后，餐盘下料模块将第一铁丝网内的纸浆餐盘成品通过真空吸走;并在机械手处在捞浆机位置时，将纸浆餐盘成品放掉并外部回收。

4.2 机械手关键参数确定

机械手各个部位的最大速度和负载能力是机械手设计过程中所必须考虑的技术参数。机械手最大速度与电机的额定转速、减速器的减速比、同步带轮节径或齿轮节径有关。负载能力与电机的额定转矩、减速器的减速比、同步带轮节径或齿轮节径有关。在电机的额定转速一定的情况下，减速比越小、带轮（齿轮）节径越大，机械手能够达到的最大速度便会越大。

X轴关键参数求解：

已知数据：减速器型号：PB90-10;伺服电机：ECMA-C21010SS;斜齿轮：HGL40-M2-21-22;斜齿轮螺旋角为：19.528°;

节圆直径：d=mz/cosβ=2*21/cos19.528=44.56mm;

电机转1圈时，齿条运动距离为：

L=π*d/减速比=3.14*44.56/10=13.99184mm

Z轴关键参数求解：

已知数据：减速器型号：PB120-40;伺服电机：ECMA-E21320SS;斜齿轮：HGL40-M2-30-32;

斜齿轮螺旋角为：19.528°;

节圆直径：d=mz/cosβ=2*30/cos19.528=63.66mm;

电机转1圈时，齿条运动距离为：

L=π*d/减速比=3.14*63.66/40=4.99731mm

同步带关键参数求解：

已知数据：同步带轮5M-齿数20，节圆直径d=31.83mm;

同步带轮转一圈，滑块距离：L=π*d=3.14*31.83mm=100mm;

电机转速：900r/min;

滑块运动距离500mm所需时间为：1秒;

4.3 机械手主要结构设计

一次性纸浆餐盘成型上下料机械手的主要构造包括龙门架、移动部分和电控柜。上下料机械手移动部分主要以X轴、Z轴以及吊篮结构为主。机械手为5轴，分为横轴、纵轴、取料上框、取料下框、下料。X轴和Z轴可分别实现水平和竖直两个方向的运动，其主要由齿轮、齿条、直线导轨、减速器、1kw伺服电机、2kw伺服电机、焊接竖直立梁和塑料拖链等零部件组成，配备直线导轨滑块自动加油功能。其中，油路润滑系统包括了自动油泵、卸压式油路分配器、流体控制阀和油嘴接头等零部件，具备导轨滑块定时定量自动注油润滑，可实现X-Z轴以及吊篮两条润滑油路的分开控制。

5结语

随着我国制造业的发展，对于各种半自动化的应用场景的要求越来越高，结合着实际工况设计最佳的结构形式和控制系统才能满足日益多元化的工业自动化需求，本文设计的机械手结构具有动作灵活、反应敏捷以及可靠性高的基本功能，有效的满足了餐盘成型过程中制造工艺的基本要求。

参考文献

[1]陈广庆，雷琳琳，夏信堂，王吉岱.基于功能原理的全自动餐具分拣包装生产线的研究[J].制造业自动化，2014，36（22）：116-118+125.

[2]江丽珍，段海峰，赵易，刘楚生.基于PLC的注塑机械手自动取件系统设计[J].塑料，2021，50（02）：82-86.

作者简介：王威（1986-10），男，汉，浙江台州人，硕士学历，中级工程师，主要从事电力电子控制的研究。